Атомная проблема

Рэн Филлип

III. Закон взаимосвязи массы и энергии

1. Формула Эйнштейна.

Мы знаем, что существует закон сохранения массы: «Ничто в природе не пропадает бесследно и не создается из ничего, все превращается». С другой стороны, известно, что есть закон сохранения энергии. Энергия проявляется в различных формах, причем тепловая энергия является самой последней из них. Это было доказано Джоулем еще лет сто тому назад.

В 1905 году Эйнштейн, который в то время служил в Федеральном бюро патентов в Берне, опубликовал три статьи, имевшие огромное значение не только для развития физики, но и для всей современной науки. Рассматривая

в одной из своих статей специальную теорию относительности, Эйнштейн доказал эквивалентность массы и энергии. Масса и энергия, по Эйнштейну, являются выражением одной и той же сущности, и это дает основание говорить, что энергия = массе.

Но, чтобы получить действительное равенство, необходимо ввести поправочный коэффициент, а именно квадрат скорости света, обозначаемой буквой с. Тогда формула Эйнштейна примет следующий вид: Е = т ^. с², где т — масса покоя. Эта формула, кстати, близка формуле кинетической энергии Е = т v² (с примерно постоянным коэффициентом).

2. Объяснение формулы Эйнштейна.

При пользовании формулой Эйнштейна необходимо особенно внимательно следить за правильностью единиц измерения. В системе CGS, где длина выражается в сантиметрах, масса — в граммах, а время — в секундах, Е измеряется в эргах, иногда в джоулях (1 дж = 10⁷ эрг), m — в граммах, а с — в сантиметрах в секунду. Тогда получится, что с — 3 ^. 10¹⁰ см/сек, а с² = 9 ^. 10²⁰, или с² 10²¹.

Следовательно, в системе единиц CGS формула Эйнштейна принимает следующий вид: Е = 10²¹ т. Необходимо особо подчеркнуть громадную абсолютную величину коэффициента 10²¹.

Закон сохранения массы остается действительным и в том случае, если мы имеем дело не только с одной массой, а с массой и энергией в их совокупности. Можно сказать, что вся энергия ядра соответствует его массе, а высвобождение ядерной энергии, которое в основном происходит в виде излучений, выражается разностью массы.

а) Следовательно, для того чтобы «получить» некоторое количество энергии, нужно «затратить» какое-то количество массы. Иначе говоря, необходимо, чтобы реакция сопровождалась «дефектом» (убылью) массы.

Учитывая громадную абсолютную величину коэффициента с², нетрудно видеть, что при незначительном дефекте массы достигается получение большого количества энергии.

Возьмем для примера Солнце. Ежесекундно на Солнце 570 млн. т водорода превращаются в 566 млн. т гелия. Следовательно, это превращение происходит с дефектом массы в 4 млн. т, которые выделяются в виде энергии и являются «горючим» Солнца. Такой дефект массы по нашим понятиям является огромным, но, принимая во внимание то обстоятельство, что масса Солнца равна 2 10²⁷ т, можно сделать вывод, что запасов солнечного «горючего» хватит на несколько миллиардов лет.

б) Если дефект массы сопровождается выделением энергии, то и наоборот, расходуя энергию в какой-либо форме, можно увеличивать массу и, следовательно, создавать искусственным путем вещество. Однако для получения незначительного количества вещества потребуется огромное количество энергии.

В ядерной физике энергия измеряется в электроновольтах (эв). Энергия в 1 эв соответствует кинетической энергии частицы, обладающей одним элементарным зарядом и проходящей в электрическом поле разность потенциалов в 1 в. Эта энергия очень мала: 600 млрд. эв составляют 1 эрг. Для получения искусственным путем пары электронов нужно затратить энергию в 1 Мэв (1 млн. эв); такой опыт был проделан в 1933 году. Как было установлено в 1948 году, для получения пары мезонов (частиц, обнаруженных в космических излучениях) необходима энергия в 400 Мэв, а для получения пары протон — антипротон нужна энергия в 2000 Мэв.

Такие огромные энергии могут быть получены лишь на мощных ускорителях частиц. Берклейский ускоритель в США позволяет получать частицы с энергией в 6000 Мэв. На нем в конце 1955 года впервые был получен антипротон. Установки, где получают такие громадные энергии, называются беватронами (1 бэв = 10⁹ эв), или космотронами, так как они позволяют получать энергии, которые до сих пор наблюдались лишь в космических излучениях.

Глава II

Принцип действия ядерных бомб

Напомнив некоторые общие сведения из области ядерной физики, мы можем перейти к изложению принципа действия ядерных бомб.

Все ядерные бомбы делятся на две большие группы: бомбы, основанные на реакции деления, называемые иногда «малыми бомбами», и бомбы, основанные на реакции синтеза, или термоядерные бомбы, называемые иногда «большими бомбами».

Действие как «малых», так и «больших» бомб основано на законе взаимосвязи массы и энергии. Хотя исходным материалом для обеих групп служат различные вещества, при взрыве и тех и других бомб происходят реакции, характеризующиеся значительным дефектом массы.

I. Бомбы, основанные на делении ядер

1. Сущность явления.

В бомбах, основанных на делении ядер, исходным материалом служат тяжелые элементы: уран 235 или плутоний 239.

Ядра этих элементов в определенных условиях могут делиться или расщепляться под действием различных частиц, преимущественно нейтронов, поскольку, будучи электрически нейтральными, нейтроны не испытывают на себе воздействия сил отталкивания протонов ядра. Эту реакцию можно записать так:

92U²³⁵ + оn¹ = 92U²³⁶ = ZX^A + Z'X^A' + (2 или 3) оn¹ + Е.

Образовавшееся ядро урана 236 моментально расщепляется на два осколка с примерно равными массами. При этом происходят:

а) образование продуктов распада zХ^А +z'X^A'. Продуктами распада могут быть самые различные элементы — от цинка (Z=30) до европия (Z=63).

Так как Z+Z'=92, то может образоваться пара: барий (Z=56) и криптон (Z'= 36). Каждый из этих двух продуктов распада в свою очередь распадается на три или четыре радиоактивных элемента, которые в конечном счете превращаются в устойчивые элементы;

б) испускание нейтронов. При делении ядра тяжелого элемента образуется в среднем 2–3 свободных нейтрона, которые не участвуют в образовании новых элементов, находящихся в средней части таблицы Менделеева. Эти нейтроны в свою очередь вызывают деление других ядер, и начинается цепная реакция при условии, что потеря нейтронов в результате их поглощения ядрами или вылета в атмосферу будет минимальной. Очень большая потеря нейтронов происходит, например, в уране 238, ядра которого делятся только в результате их бомбардировки «быстрыми» нейтронами, тогда как для деления урана 235 достаточно «медленных» нейтронов;